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关键词： 高光谱图像   异常检测   张量   张量奇异值分解   空谱联合相关  

摘要： 高光谱图像作为一种三维图像,能够同时获取成像区域的空间信息和地物的光谱信息,其中每个像元反映了地物近乎连续的光谱曲线,这种精细的光谱曲线足以区分地物间的微小差异。作为高光谱图像处理中最重要的研究方向之一,异常检测旨在检测出图像中与局部或全局背景具有不同光谱曲线的像素。异常检测是在没有目标和背景先验光谱信息的条件下进行的,这使该任务极具挑战性,同时也因更符合实际场景而具有应用价值。传统的异常检测算法着重于利用图像中冗余的谱信息,将三维图像展开为矩阵进行处理,这破坏了图像的结构信息。针对三维高光谱图像,本文采用张量表示方法对其进行建模,深度挖掘和利用图像的空谱联合信息进行异常检测,主要研究内容如下:(1)提出了基于张量平均秩和局部光滑约束的高光谱图像异常检测算法。针对传统低秩表示方法无法充分利用图像的空间信息使检测器的检测性能退化,提出了联合字典表示和张量表示的异常检测方法。将高光谱图像分为背景张量和异常张量,这里的背景张量被表示为字典矩阵和系数张量的模三乘积。在该表示下,系数张量仍然保持图像的空间信息和光谱信息,具有全局低秩结构。为了刻画该结构,使用基于张量奇异值分解的张量核范数来约束系数张量。考虑到背景图像的局部光滑性质,在模型中加入了总变分正则化项。此外,设计了基于局部聚类的背景字典构建方法。与基于整体聚类的字典构建方法不同,该方法考虑了图像的空间信息和光谱信息,定义了空谱距离并在局部空间内对像素进行聚类,降低了同一类别中包含多种背景像素的可能性。通过奇异值分解获得每个局部类所在的子空间,然后将像素向该子空间投影,将具有最小残差的像素作为对该局部类最具表示性的背景像素并选择其为字典原子。在多个实测高光谱图像数据集上的实验结果证明了所提异常检测算法的优越性。(2)提出了基于空间不变张量自表示模型的高光谱图像异常检测算法。针对传统表示方法仅利用字典中像素在同波段内进行表示而无法直接利用高光谱图像的谱相关性和空间相关性这一问题,提出使用张量自表示模型对背景张量进行表示。将高光谱图像分为背景张量、异常张量和噪声张量,其中背景张量被表示为数据自身和系数张量的张量乘积。在该表示下,背景张量的每个波段被表示为其他波段和系数的张量乘积之和,使系数张量的每个侧面切片整合了图像一个方向空间信息和光谱信息。为了刻画图像的空谱相关性,将系数张量的侧面切片限制在低维子空间中。考虑到高光谱图像具有两个空间方向,为了得到更均衡和信息利用度更高的表示模型,通过不同的表示张量融合不同方向的空谱信息并约束它们的侧面切片存在于相同的低维子空间中。此外,考虑异常像素的稀疏性,通过l2.1.1范数约束系数张量促进背景和异常的分离。基于实测数据的实验结果表明,该方法具有良好的背景抑制能力和异常检测能力。(3)提出了基于自适应低秩张量变换的高光谱图像异常检测算法。针对高光谱图像的冗余性导致传统张量变换方法具有较高计算复杂度,以及固定的变换矩阵和数据之间的不适应问题,提出了使用自适应低维矩阵对数据进行变换的方法。考虑到高光谱图像较强的谱相关性,为了降低张量变换方法的计算复杂度,将背景张量表示为低维变换张量和低维变换矩阵的乘积。通过低维矩阵变换,将高光谱图像的谱信息融合到变换张量的每个正面切片之中。同时,变换张量的正面切片可以保持图像的空间信息,通过最小化所有正面切片的核范数之和实现对图像空谱相关性的利用。为了使变换张量能够更好地融合空谱信息,在迭代过程中自适应地求取与数据相关的低维变换矩阵。此外,通过最小化异常张量的l2.1.1范数来刻画异常像素的组稀疏性质。将保真项和所有的正则化项整合为一个非凸优化问题并通过近端交替最小化算法进行求解。最后证明了由近端交替最小化算法产生的序列收敛到算法的一个驻点。基于实测数据的实验结果表明,所提方法相比其他异常检测算法具有一定的优越性。

关键词： 柔性边界超圆盘张量机   最近边界超圆盘张量机   单分类最近边界超圆盘张量机   超圆盘最近距离张量特征   旋转机械   故障诊断  

摘要： 旋转机械广泛应用于一些重要且复杂的机电设备中,其中一部分甚至是核心部件,一旦发生故障就可能造成巨大经济损失,因此对旋转机械进行故障诊断是非常必要的。目前随着科技发展,机电设备越来越复杂精密,使得旋转机械的诊断环境更加复杂;而且由于能采集到的信息越来越多,使得相关诊断技术需要同时处理大量的数据。这些变化给旋转机械故障诊断的研究带来了巨大的挑战。超圆盘张量机(Hyperdisk Tensor Machine,HDTM)是一种新的故障诊断方法,解决了传统超圆盘模型无法处理张量数据的缺陷,在一定程度上能同时处理大量数据。本文研究了基于超圆盘张量机的旋转机械故障诊断方法,提出了两种故障诊断方法和一种故障检测方法,并分别将其应用在旋转机械故障诊断与检测中。 本文的主要研究内容如下: 1)针对HDTM对离群点干扰较为敏感的问题,提出基于柔性边界超圆盘张量机(Soft-margin Hyperdisk Tensor Machine,SHDTM)的旋转机械故障诊断方法。此方法将HDTM模型的硬边界优化为可自适应调整的柔性边界,抑制了离群点对超圆盘边界的干扰。两组实验结果表明,所提方法能有效应对离群点的干扰,一定程度上也能抑制噪声干扰。并且与HDTM相比,其处理不平衡数据集的能力也有所提升。 2)针对HDTM运行速度较慢的缺陷,提出基于最近边界超圆盘张量机(Nearest Hyperdisk Tensor Machine,NHDTM)的旋转机械故障诊断方法。将HDTM中的决策方式改为距离决策,用矩阵运算替换了原始模型中耗时的二次约束二次规划求解问题,大大提高了模型的诊断效率。此外,考虑到噪声干扰会对HDTM的诊断精度产生影响,提出超圆盘最近距离张量特征(Tensor Feature of Hyperdisk-based Nearest Distance,TF-HDND)。两组实验结果表明,基于TF-HDND与NHDTM的方法诊断效率较高,同时也能有效抑制噪声干扰。 3)考虑到NHDTM诊断效率较高,故提出基于单分类最近边界超圆盘张量机(One-class Nearest Hyperdisk Tensor Machine,OCNHDTM)的旋转机械故障快速检测方法。同时构建原始张量特征进行信息增强,放大微弱故障信息,并提取TF-HDND特征。实验结果表明,基于TF-HDND与OCNHDTM的快速检测方法是可行且有效的。

关键词： 乳腺癌组织病理学图像   量子张量网络   卷积神经网络   类激活图   纹理特征  

摘要： 2022年全球癌症流行病学数据表明,乳腺癌已成功超过肺癌,成为世界发病率第一的癌症。然而,乳腺癌的早期发现和及时治疗将大大降低患者的死亡率。目前用于乳腺癌检查的方法包括乳房X线检查、超声检查、核磁共振成像和CT检查等等,但这些方法不仅费用昂贵还容易产生误诊。乳房活检的组织病理学图像诊断的出现给乳腺癌高危发病群体带来福音。这种通过活检组织的显微技术获得的医学图像,在帮助专家准确辨别乳腺癌亚类型的同时也能够在细胞的基础上观察组织特征,进而精确的定位病变的区域。因此组织病理学图像诊断也通常被视为乳腺癌检测的“金标准”。目前医学图像分析的难点在于需要有经验的组织病理学医生,但对于这些人才的培养需要大量的时间和资源。更糟糕的是,图像诊断结果很容易被医生误判。随着图像处理技术的提高以及机器学习的飞速进展,人们也不断尝试利用计算机技术来提高诊断的准确率和效率。目前,多种深度学习算法运用于乳腺癌组织病理学图像进行分类识别,但这些方法不仅参数量巨大,同时不能很好的获取全局特征,导致模型学习过程中丢失大量的有效信息。张量是向量和矩阵的数学形式的高阶泛化,可以当作数据存储器,当用于图像分类时可以在保持图像像素之间的空间相关性的同时降低数据存储的成本。张量网络是由几个张量按照特定规则收缩而成的一类网络,可以将高阶张量分解为相互关联的低阶核心张量来减少参数。相较于传统的张量网络,起源于多体量子物理的量子张量网络将输入数据映射到希尔伯特空间中,这样能够很好地保持高维空间数据的内在结构信息,解决了传统二维矩阵难以描述数据之间关系的问题,因此量子张量网络模型可能成为乳腺癌医学图像分类的一个突破口。本文完成的主要工作如下:(1)提出了一种基于卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)和量子张量网络(Quantum Tensor Network,QTN)的量子张量增强卷积表示融合模型(Quantum Tensor-augmented Convolutional Representations Network,ConTenNet)来对乳腺癌组织病理学图像二分类。将QTN应用于乳腺癌组织病理学图像分类,通过QTN对参数压缩的特性,将模型参数量降低;通过QTN对相邻区域的数据提取和层与层之间的信息传递实现相邻区域之间的信息连接,获得更深入的全局特征。同时,也为QTN与经典模型的进一步结合奠定了基础。为了保证训练数据集的平衡使用数据增强方法对良性图像进行增强和减少颜色对实验的干扰对原始图像进行颜色归一化。本文从图像级和患者级两个角度对不同放大倍率的图像进行对比实验,实验证明本模型可以在原始图像的图像级别的40x下达到99.06%左右的准确率,患者级别的40x下达到92.98%左右的准确率;在颜色归一化图像的图像级别的40x下达到97.56%左右的准确率,患者级别的40x下达到91.89%左右的准确率。最后,使用Grad-CAM方法证明了虽然颜色归一化后准确率有所下降,但该方法具有重要性和必要性,而且使二分类融合模型具有可靠性和可解释性。(2)提出了基于ConTenNet和纹理特征提取的融合模型来对乳腺癌组织病理学图像进行多分类。将ConTenNet模型参数压缩和特征提取的特性迁移过来,同时针对乳腺癌组织病理学图像多分类的复杂性,引入传统的纹理特征提取方式,即灰度共生矩阵、局部二值模式和Gabor滤波方式,并将灰度共生矩阵方法分别和局部二值模式、Gabor滤波方式进行融合,从而获得乳腺癌组织病理学图像在空间上以及不同尺度和方向上局部的细胞形状特征。最后,通过特征融合,将数据输入到全连接层中进行分类。实验结果表明,融合后的模型在原始图像的图像级别的100x下达到97.20%左右的准确率,患者级别的100x下达到97.07%左右的准确率;在颜色归一化图像的图像级别的40x下达到95.67%左右的准确率,患者级别的40x下达到95.34%左右的准确率,都优于目前常见的对比模型。最后,对实验结果进行混淆矩阵分析,表明本模型对八种类别进行了较好的分类,展现了本模型较强的分辨能力,同时具有较好的性能。

关键词： 严格耦合波   多层介质膜光栅   偏振无关   衍射效率   带宽  

摘要： 光栅在激光脉冲压缩、激光合束领域具有重要的应用价值。激光脉冲压缩和光谱合束对光栅的色散、偏振、损伤阈值、效率、带宽等都提出了特殊的要求。本文开展大带宽、高效率的介质膜偏振无关光栅的研究,具体工作内容如下:(1)采用严格耦合波理论,介绍推导TE、TM偏振光入射介质膜光栅时的衍射效率计算公式,并编写了计算光栅衍射效率的RCWA程序。(2)开展多层栅齿偏振无关多层介质膜光栅(MLDG)的研究。光栅线对数为1300 line/mm,入射光中心波长为1064 nm。选用Ta2O5、SiO2作为光栅材料,设计了在使用波长处大带宽、高反射率,在记录波长处高透过率的膜系。利用RCWA程序分别对单层、双层、三层、四层、五层栅齿结构的MLDG进行参数搜索优化,发现增加栅齿层数确实能增大波长带宽,增大带宽积分平均衍射效率(PIDE),且多层栅齿光栅比单层栅齿光栅的容差范围大。但随着栅齿层数的增加在光栅制备时需控制的参数也大大增加了,且多层栅齿光栅的总栅齿深度大,制备难度较大。(3)开展叠层栅齿偏振无关多层介质膜光栅(MLDG)的研究。光栅主栅齿线对数为1300 line/mm、辅栅齿线对数为1740 line/mm,入射光中心波长为1064 nm。首先设计分析双层栅齿底角分别为90°、88°、84°、80°、76°、72°的梯形一维MLDG。为实现光栅高效率、宽带的目标,提出一种叠层栅齿结构的介质膜光栅,该结构通过在一维光栅基础上正交叠加一层高频光栅结构来实现。研究表明叠层栅齿MLDG的TE和TM衍射效率均大于95%的波长带宽都比一维MLDG大,约30 nm;在1010-1115 nm波段内的PIDE 比一维MLDG普遍提升约2.5%。其中,梯形底角为80°的叠层栅齿MLDG波长带宽理论值达97 nm,PIDE达98.5055%,且具备较好的工艺容差。叠层栅齿光栅的设计方案对提高光栅的带宽、衍射效率具有明显的效果。(4)开展叠层栅齿偏振无关MLDG的实验研究。在石英基底上镀制SiO2和Ta2O5薄膜,利用全息曝光、显影、镀铬、去胶等步骤制备掩模,利用ICP技术刻蚀多层介质膜顶层的Ta2O5和SiO2膜层,完成第一次刻蚀;再重复制备高频掩模、二次刻蚀Ta2O5栅齿层,完成光栅的制备。测试光栅的形貌和衍射效率,结果表明与理论分析相符。近自准直角入射时,在1020-1094 nm波段范围内,TE&TM光的-1级反射衍射效率均大于95%。

关键词： 高阶数据   张量回归   张量网络   秩确定   多任务学习  

摘要： 研究变量之间的关系是回归分析的目标,是机器学习和信号处理领域的重要课题,广泛应用于如天气预测、基于视频序列的人体行为轨迹追踪、基于人脸图像的年龄估计等任务。然而,随着传感、存储技术的进步,气候数据、视频序列数据往往规模较大。利用传统的基于向量或矩阵的回归算法不仅无法利用数据的多维结构信息,且建模所需参数量巨大。特别在样本受限的情况下,该回归问题会很棘手。因而,准确建模涉及高阶数据的回归系统,又不增加回归问题求解的难度至关重要。同样,随着多模态数据的出现,回归问题的多任务联合学习也存在诸多挑战,如任务的多重索引、任务间高阶相关性的准确建模等问题。针对这些挑战,本文展开相关研究,主要贡献和创新点如下:1.针对高阶数据相关回归系统数据间高阶相关性难刻画问题,首先提出利用流行的张量链网络结构对回归系统所涉高阶数据之间的多向相关性进行刻画,在充分利用高阶数据内部结构信息的同时,降低建模所需的参数量,缓解了利用传统回归技术处理高阶数据回归任务所引发的维度灾难问题。为缓解张量链式分解秩的不平衡性,进一步提出基于张量环结构的多线性回归模型,提高高阶数据间多向相关性的建模准确度。此外,对比分析不同优化方案,并设计快速的张量网络收缩方案以提高算法效率。与传统基于CP分解的方法相比,在时空数据上的预测轨迹相关系数提升达9%,算法运算效率提升超75%。2.针对高阶数据相关回归系统模型复杂度选择困难问题,本文提出新型组稀疏约束项对张量多线性秩进行凸近似,在模型训练过程中对张量多线性秩进行推断。所提方法能够更好地权衡数据拟合的准确性和模型复杂度,建立更加简约、紧凑的张量回归系统。仿真数据和真实数据实验都证明了所提方法在给定秩上限时通过秩自适应调节可以极大接近张量环因子化方法的实验性能上界,性能优于超95%的不同秩组合结果。3.针对高阶数据相关回归系统任务间高阶相关性利用不足问题,提出了一种新的张量多任务学习框架,以更好地刻画任务间的高阶相关性。所提模型根据物理意义保留所涉任务的多重索引表示,收集所有任务的模型参数并合并构建高阶系数张量。通过低秩CP近似挖掘系数张量的结构相关性,探索所有任务之间的公共子空间和每个任务特有的特征空间。所提框架可以灵活地捕获任务来自多个索引的结构依赖性,为多重索引表示的多任务学习问题提供有效的解决思路。真实数据上的实验表明所提张量多任务回归模型相比已有算法精确度提升可达7%以上。综上所述,本论文针对高阶数据相关回归系统面临的数据间高阶相关性、任务间高阶相关性挑战,以多线性回归模型系数张量的最优表示、复杂度选择以及多重索引表示的多任务学习问题为重点研究内容,构建一系列高效的张量回归分析模型,为机器学习在更大规模、更复杂结构、更多来源数据的分析中迈向新的阶段积蓄动能。

关键词： 甲脒溴化铅钙钛矿单晶   逆温结晶法   旋光特性   法拉第效应  

摘要： 随着激光、通信行业的快速发展，高功率激光器和探测器等设备在科学和工业领域中越来越重要，但额外的光反射会使光信号发生串扰，增加误码率，从而限制长距离传输。因此光路中的光反射已成为一个必须解决的重要问题。非互易性器件（如光隔离器）成为解决这个问题的关键，而器件性能主要取决于磁光材料的法拉第旋光性质。随着光电子技术的不断进步，越来越多需要高性能磁光材料的新领域与新应用也逐步发展起来。　　目前，行业内应用于光隔离器的相对成熟的磁光材料为铽镓石榴石(TGG)，但其制备和加工比较困难，合成过程中会伴随严重的镓挥发，致使熔体产生大量缺陷。而有机-无机杂化钙钛矿由于其可利用简单的溶液法进行制备并具有优异的光电性能，广泛应用于太阳能电池、光电探测器、发光二极管等领域。同时，众多学者对钙钛矿的磁光性能也进行了深入研究，并探讨了其在磁光领域的应用前景。其中，甲基铵卤化铅（MAPbX3）钙钛矿在可见光范围内表现出高的Verdet常数,可用于制备光隔离器等磁光器件。近年来，甲脒溴化铅（FAPbBr3）钙钛矿因其良好的稳定性逐渐步入人们视野，研究其磁光性能对磁光器件的发展具有重要意义。　　本文主要采用改良后的逆温结晶法（MITC）对FAPbBr3单晶进行制备。通过评估多项生长参数对钙钛矿单晶的影响，成功制备出透明度高、形状规则的大尺寸钙钛矿晶体。并通过对其进行性能表征，获得了结构晶相、表面形貌、光学带隙等重要信息，建立了生长参数与生长质量之间的内在联系，明确了其具备缺陷密度低、结晶度高等优点。完成法拉第旋光系统搭建与实验设计，在不同条件下对FAPbBr3单晶进行旋光特性实验。通过理论计算，确定FAPbBr3单晶在565 nm处的Verdet常数可达531.6 rad/(T?m)，结合Becquerel公式对影响钙钛矿单晶Verdet常数的因素进行分析，并将实验值与理论值进行比较，结果显示出相同的趋势。根据FAPbBr3钙钛矿单晶的吸收系数，计算出不同波长下的磁光优值、隔离透明度等重要参数，发现其在625 nm波长、0.35 T磁场作用下可实现约90%的隔离透明度。同时探究了FAPbBr3钙钛矿单晶与MAPbCl3钙钛矿单晶、TGG单晶相比存在的优越性。通过实验探究与模拟仿真，研究了FAPbBr3钙钛矿单晶的热稳定性以及常温常湿环境下的性能稳定性，对钙钛矿单晶在光隔离器中的应用前景进行了探讨。　　本论文的研究工作证明了FAPbBr3钙钛矿单晶优异的旋光性能，通过改变卤素结构可以将工作波长拓展至整个可见光范围甚至近紫外或近红外区域，为接下来钙钛矿材料在磁光性能方面的研究工作提供了新的方向。

关键词： 激光显示   激光散斑抑制   等光强分束器   金属线栅偏振片  

摘要： 激光显示具有亮度高,色域宽和寿命长等优点。激光光源的强相干性会导致激光散斑,降低显示图像的质量,因此激光散斑是激光显示中的关键问题。实现散斑抑制的方法主要分为两类:静态散斑抑制方法和动态散斑抑制方法。动态散斑抑制方法的工作原理是在人眼-脑的响应时间内生成不同的散斑图像并进行叠加进而实现散斑抑制,例如使用MEMS振镜和旋转散射片。与动态散斑抑制方法相比,静态散斑抑制方法在整个光路中没有动态元件,通过使用衍射光学元件、哈达玛矩阵散射片等破坏激光的相干性,达到散斑抑制的目的。外部驱动的存在会导致体积大,功耗高和噪声等问题,因此应大力发展静态散斑抑制方法,避免使用外部驱动。根据破坏激光时间及空间相干性的静态散斑抑制方法,我们设计了一种基于金属线栅偏振片(WGP)阵列的等光强分束器(EIBS),该元件由两部分组成:多个预定方向不同的WGPs和反射镜。通过控制WGPs和反射镜之间的距离,引入足够的光程差,使得出射子激光束为非相干光;通过特殊设计各个WGP的线栅方向,使得出射子激光束的光强相等。一束激光经过EIBS之后得到多束光强相等的非相干子激光束。将EIBS应用在激光投影显示中,可以实现散斑抑制,提高投影图像的质量。具体研究内容主要包括以下两个方面:1.基于WGP的EIBS的设计。首先设计WGP和反射镜之间的距离,使得出射子激光束之间的光程差大于或者等于入射激光的相干长度,出射光为非相干光。然后利用仿真和实验得到WGP透射率和反射率方程,理论计算出各个WGP的线栅方向。经过偏振调制,使得出射子激光束的光强相等。最终一束激光经过EIBS之后得到了多束光强相等的非相干子激光。2.基于EIBS的散斑抑制及激光投影实验。我们搭建了散斑测试系统,使用EIBS得到了三束具有相等光强的非相干子激光束,散斑对比度从最初的0.82降低为0.5。随后将EIBS应用于简易的激光投影系统中,实验结果显示投影图像的质量得到了提高。

关键词： 偏振探测   油膜   基尔霍夫近似   散射场   斯托克斯矢量  

摘要： 海面溢油是威胁生态环境的因素之一,对其及时的探测和识别是十分必要的。相比较于传统的基于光强探测海面溢油,偏振探测因为不受表面对比度限制而更受欢迎。凝析油是工业中常用原油之一,本文对海面和凝析油膜散射特性与半球空间散射斯托克斯矢量进行研究,具体工作如下:(1)利用线性滤波法建立了高斯随机粗糙面和随机海面,使用基尔霍夫近似方法分析了单层随机粗糙面的散射并获得空间散射场表达式。提出了传统遮蔽效应算法射线追踪法的改进方法,计算效率显著提升,模拟得到的随机粗糙面散射光强分布与文献中结果符合较好,证明了该方法的有效性。数值计算了S波、P波入射到海面时入射面内散射光强分布,基于粗糙面散射机理解释了P波布儒斯特角入射时散射光出现两个波峰的原因。(2)研究了分层随机粗糙面的散射,运用射线追踪法计算了分层粗糙面的间接透射场。在改进的射线追踪法基础上,去除因上层介质厚度导致的不必要的射线追踪面元,进一步提升了射线追踪效率。将模拟的分层粗糙面散射系数与文献结果对比,符合较好。数值计算了海面和凝析油膜入射面内散射光强分布,比较发现:S波30°、56°入射和P波30°入射时,油膜散射光强大于海面,峰值出现在入射光镜像方向处,且随风速增大,S波散射光强峰值向右侧偏移,P波散射光强向左侧偏移;P波56°入射时,散射光强有两个峰值,分布在布儒斯特角镜像方向两侧,风速小时,油膜两峰值数值接近,随风速增大,右侧峰值增加较快,左右两峰值差逐渐增大。(3)数值计算了不同风速下,不同入射角、不同偏振光入射到海面和凝析油膜上散射光的半球空间斯托克斯矢量。分析了入射光偏振态、入射角、风速对散射光斯托克斯矢量的影响。结果表明:线偏振光入射到海面时,散射光斯托克斯矢量的V分量几乎为0,但入射到油膜上时,出现了较明显的V分量,特别是P波56°入射时,V分量在入射面两侧呈现清晰的两瓣反对称分布,45°偏振光56°入射时,V分量在入射面内入射光镜像方向两侧呈现清晰的两瓣反对称分布,因此可以利用V分量来区分海水和油膜。该结果能够为海面溢油探测提供一定的理论依据。

关键词： 三芯光纤   飞秒激光微加工   光纤Bragg光栅   马赫-曾德尔干涉仪   光纤传感  

摘要： 光纤光栅是光纤技术领域最重要的发明之一,在光纤通信、传感、激光光源等领域得到了极其广泛的应用。随着多芯光纤为代表的新型光纤和光纤光栅写制技术的发展和进步,在多芯光纤上写制高质量的光纤光栅引起了广大研究人员的高度关注,尤其在大容量多芯光纤通信系统和多维度高性能传感系统被寄予厚望。本文围绕利用飞秒激光微加工技术在三芯光纤写制Bragg光纤光栅及其传感应用、重点针对多芯光纤普遍存在的不同纤芯中光栅同时在线探测/解调困难展开了深入的实验和理论研究。论文主要研究内容如下:1)利用飞秒激光在三芯光纤的三根纤芯上逐点刻写不同周期的Bragg光栅,并在三芯光纤两侧刻写耦合波导,将入射光从单模光纤直接耦合到各个纤芯中,同时将Bragg反射信号耦合回单模光纤,实现三根纤芯中Bragg光栅的同时检测。该方案无需借助fan-in/out装置,有效地降低了系统的复杂程度和成本,而且结构紧凑,稳定性高。利用制成的三芯光纤光栅的空间位置差异,该器件被应用于方向性弯曲传感,可以实现全方位的弯曲测量,同时可以消除温度、轴向应变的交叉干扰。2)在三芯光纤两端分别熔接很短的一段无芯光纤,再与单模光纤熔接构建成在线式马赫-曾德尔干涉仪。实验和仿真结果表明该干涉仪的光谱中存在一个色散转折点。利用转折点两侧的干涉峰对外面折射率的相对变化,可获得-67.56nm/RIU折射率响应灵敏度,不仅有效地提高了干涉仪的折射率灵敏度,同时大幅降低温度和轴向应变的交叉敏感性;为了进一步消除温度的交叉影响,提出采用位于色散转折点的干涉峰作为第二传感指示,实现折射率和温度同时测量。3)利用飞秒激光在三芯光纤的三根纤芯上分别写制Bragg光栅,然后熔接很短的无芯光纤作为光耦合器,在实现三根Bragg光栅同时检测的基础上叠加马赫-曾德尔干涉,利用干涉峰和Bragg光栅峰的响应差异,实现弯曲和温度等参量的同时测量。